Ченцов С.В. Автоматизированное проектирование средств и систем управления. Практикум

Подождите немного. Документ загружается.

2. МОДЕЛЬНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СРЕДСТВ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Лабораторная работа 2. Разработка математических моделей элементов системы электропитания (СЭП)



Автоматизированное проектирование средств и систем управления. Лаб. практикум

Исходя из полной идентичности процессов в схемах рис. 2.3, а и рис. 2.4, а,

можно утверждать, что все результаты, полученные для конверторов, стаби-

лизирующих свое выходное напряжение (конверторы РУ), справедливы и для

конверторов ЗУ, которые стабилизируют свое входное напряжение.

Аналогичное совпадение процессов существует и в случае, когда

АБ

< U

ВЫХ

, и в ЗУ используют конверторы с силовыми цепями понижающе-

го типа, а в РУ – конверторы с силовыми цепями повышающего типа. Следо-

вательно, в этом случае в конверторе ЗУ также может быть использовано УУ

со схемой управления конвертором повышающего типа и все результаты, по-

лученные для конверторов повышающего типа, можно распространить на

конвертор ЗУ.

вх

вых

вх

и.ст .

и.р

(m+1)T

(m+2)T

вых

–U

вых

Lст

Lр

Lp.п

Lp.c

Lp.п

Lp.c

Cp.c

Рис. 2.4. Схема и временные диагонали повышающего типа

2. МОДЕЛЬНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СРЕДСТВ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Лабораторная работа 2. Разработка математических моделей элементов системы электропитания (СЭП)



Автоматизированное проектирование средств и систем управления. Лаб. практикум

На рис. 2.5 приведены структурные схемы стабилизаторов напряжения

СН1 и СН2, обеспечивающих стабилизацию напряжения на низковольтном

выходе СЭП. На рис. 2.5

также показаны устройство токовыравнивания

(УТВ), обеспечивающее выравнивание входных токов СН1 и СН2, много-

фазный задающий генератор (МФЗГ), интегратор сигнала рассогласования

(ИСР

) и выходной емкостной фильтр (ВФ

). Каждый из СН содержит

шесть стабилизирующих модулей (СМ1÷СМ6), шестивходовый сумматор

∑

(

∑

) и сумматор С1 (С3). На входы сумматора

∑

(

∑

) поступают

информационные сигналы с датчиков тока (ТДТ) силовых ключей СМ (см.

рис. 2.10

). Эти токи имеют форму треугольных импульсов, но по средней со-

ставляющей равны входным токам СМ. После их суммирования на выходе

сумматора получается сигнал

∑

, соответствующий по средней составляю-

щей входному току СН1 (

∑

) или СН2 (

∑

). В УТВА СН путем суммиро-

вания

∑

и последующего их усиления в 0,5 раза посредством усили-

теля У получают «средний» входной ток

ÑÐ

СН, т. е. сигнал, равный средне-

му арифметическому входных токов. Этот сигнал поступает на сумматоры

С1 и С3, где после сравнения с сигналами

∑

, формируются сигналы

ТВ1

ТВ2

отклонения входных токов СН от «среднего» тока

СР

На рис. 2.6

приведена структурная схема стабилизирующего модуля

(СМ). В состав силовой цепи СМ входят силовой ключ СК, датчик тока

трансформаторного типа (ТДТ), диод VD, дроссель L и входной конденсатор

ВХ

. В состав устройства управления СМ входят сумматоры (С1 и С2), апе-

риодические звенья (АЗ1 и АЗ2), дифференцирующая цепь (ДЦ), усилитель-

ограничитель (УО), компаратор (К), триггер (Т) и логические элементы «2И»,

«НЕ».

Напряжение с выхода СМ (выходное напряжение СЭП) поступает на

вход ДЦ с «большой» постоянной времени. Посредством такой ДЦ выделя-

ется переменная составляющая выходного напряжения СЭП, которая подвер-

гается частотной коррекции АЗ1, суммируется в сумматоре С1 с интегралом

сигнала рассогласования и в сумматоре С2 с сигналом

ТВ

. В результате по-

лучается сигнал

УО

, поступающий на инвертирующий вход компаратора K.

На второй неинвертирующий вход компаратора K поступает сигнал с ТДТ.

Включение СК происходит в момент прихода импульса от МФЗГ на S вход

триггера, а выключение – в момент равенства сигнала ТДТ и сигнала

УО

Временные диаграммы, поясняющие этот процесс, приведены на рис. 2.7

Увеличение тока нагрузки приводит к снижению выходного напряже-

ния СЭП и, соответственно, росту сигнала

УО

(ИСР

обеспечивает инвер-

сию интеграла отклонения выходного напряжения от опорного). Рост

УО

приводит к увеличению длительности открытого состояния СК и возврату

выходного напряжения к стабильному значению. Если входной ток СН1 или

2. МОДЕЛЬНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СРЕДСТВ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Лабораторная работа 2. Разработка математических моделей элементов системы электропитания (СЭП)



Автоматизированное проектирование средств и систем управления. Лаб. практикум

СН2 меньше «среднего» входного тока

СР

, то сигнал

ТВ.Х

обеспечит рост

сигнала

УО

, что приведет к росту входных токов СМ, образующих СН1 или

СН2 и выравниванию входных токов СН.

Применение усилителя-ограничителя УО ограничивает уровень сигна-

ла

УО

, что обеспечивает защиту СК по току и ограничение входного тока

СН. Логические элементы «2И» и «НЕ» выполняют функцию ограничения

длительности импульсов управления силовым ключом, ограничивая макси-

мальную длительность сигнала управления СК на уровне (0,8÷0,85)T, где Т –

период следования импульсов МФЗГ. Прерывание импульса управления

Рис. 2.5. Структурная схема СН 1и СН 2

СМ

1.1

СМ

1.6

∑

0.5

∑

УТВ СН

С2

МФ

ЗГ

СМ

2.1

СМ

2.6

ИСР

ВФ

вх. СН 1

вх. СН 2

СК 1.1

СК 2.6

СК 1.6

СК 2.1

С1

С3

Т В1

Т В2

ВЫХ

СН 1

СН 2

∑1

∑2

0.5I

ср

2. МОДЕЛЬНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СРЕДСТВ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Лабораторная работа 2. Разработка математических моделей элементов системы электропитания (СЭП)



Автоматизированное проектирование средств и систем управления. Лаб. практикум

происходит на интервале действия импульса МФЗГ, имеющего длительность

(0,2÷0,15)T. Это обеспечивает гарантированное выключение СК на каждом

периоде, что исключает насыщение магнитопровода ТДТ и выход СМ из

строя по причине потери информации о токе СК. На рис. 2.7

приведены вре-

менные диаграммы, поясняющие работу СН.

На рис. 2.8

приведены структурные схемы разрядных устройств РУ1 и

РУ2, обеспечивающих стабилизацию напряжения на высоковольтном выходе

СЭП, а также показаны устройство токовыравнивания (УТВ), обеспечиваю-

щее выравнивание входных токов РУ1 и РУ2, многофазный задающий гене-

ратор (МФЗГ), интегратор сигнала рассогласования (ИСР

100

) и выходной ем-

костной фильтр (ВФ

100

). Совместная работа РУ1 и РУ2 осуществляется ана-

логично работе СН1 и СН2. Отличие состоит в том, что для токовыравнива-

ния используются сигналы с датчиков тока аккумуляторных батарей (ДТ АБ).

На рис. 2.9

приведена структурная схема разрядного модуля (РМ). В

состав силовой цепи РМ входят силовые ключи СК1 и СК2, датчик тока

трансформаторного типа (ТДТ) силового ключа СК1, диоды VD1 и VD2,

дроссель L, входной конденсатор С

ВХ

и демпфирующая RC цепь. В состав

устройства управления РМ входят сумматоры (С1, С2 и С3), апериодические

звенья (АЗ1 и АЗ2) дифференцирующая цепь (ДЦ), драйвер управления си-

ловым ключом СК2 драйвер управления верхним ключом (ДрВК), делитель

УО

АЗ 2

ДЦ

от ИСР

от МФЗГ

СК M.N

ТВ. X

ВХ

–

ВХ

СК

ТДТ

УО

С2

С1

–

Рис. 2.6. Функциональная схема модуля СН

АЗ 1

1156ЕУ3

2. МОДЕЛЬНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СРЕДСТВ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Лабораторная работа 2. Разработка математических моделей элементов системы электропитания (СЭП)



Автоматизированное проектирование средств и систем управления. Лаб. практикум

напряжения (ДН), усилитель-ограничитель (УО), компараторы (К1 и К2),

триггер (Т1), логические элементы «2И-НЕ», «2ИЛИ», 2 элемента «НЕ».

Принцип формирования управляющего сигнала силовым ключом СК1

аналогичен принципу формирования управляющего сигнала силовым клю-

чом СК силового модуля СМ (рис. 2.7

). Элементы устройства управления РМ

и их соединения между собой аналогичны элементам устройства управления

модуля СМ (см. рис. 2.6

Отличие состоит в том, что на интервале первоначального пуска сигнал

компаратора К2 дополнительно смещает посредством сумматора С3 сигнал с

ТДТ, что ограничивает токи через силовые ключи СК1, СК2 на интервале

пуска РМ (и РУ в целом), обеспечивая «мягкий» запуск.

800

820

840

860

880

900

920

788

t, мкс

2.0V

4.0V

2.0V

4.0V

УО

ТДТ

10V

15V

МФЗГ

2.0V

4.0V

Рис. 2.7. Временные диаграммы, поясняющие работу модуля СН

2. МОДЕЛЬНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СРЕДСТВ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Лабораторная работа 2. Разработка математических моделей элементов системы электропитания (СЭП)



Автоматизированное проектирование средств и систем управления. Лаб. практикум

Рис. 2.8. Структурная схема РУ 1 и РУ 2

РМ 1.1

РМ 1.6

0.5

УТВ РУ

С2

МФ

ЗГ

РМ 2.1

РМ 2.6

ИСР

100

ВФ

100

вх. РУ 1

вх. РУ 2

С1

С3

Т В1

Т В2

ВЫХ

РУ 1

РУ 2

АБ 1

АБ 2

0.5I

АБ .су м

2. МОДЕЛЬНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СРЕДСТВ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Лабораторная работа 2. Разработка математических моделей элементов системы электропитания (СЭП)



Автоматизированное проектирование средств и систем управления. Лаб. практикум

Рис. 2.9. Функциональная схема модуля РУ

УО

АЗ 2

АЗ 1

ДЦ

от ИСР

100

от МФЗГ

УТВ.

ВХ

–

СК 2

VD 2

С2

С1

–

VD 1

СК 1

ТДТ

ДН

ОП

= 9.7

ДрВК

1156ЕУ3

С3

2. МОДЕЛЬНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СРЕДСТВ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Лабораторная работа 2. Разработка математических моделей элементов системы электропитания (СЭП)



Автоматизированное проектирование средств и систем управления. Лаб. практикум

Общесистемный емкостной фильтр является важным элементом энер-

гопреобразующей аппаратуры СЭП. Он состоит из конденсаторов, объеди-

ненных в батарею. Каждый из конденсаторов подключается через плавкую

вставку, исключающую закоротку выходных шин СЭП при выходе конден-

сатора из строя (короткое замыкание самого конденсатора). От того, каким

образом конденсаторы фильтра объединены в батарею, существенно зависят

его электрические, надежностные и массогабаритные характеристики. Нали-

чие индуктивности и активного сопротивления у электрических шин, объе-

диняющих конденсаторы в батарею, приводит к неравномерной «загрузке»

конденсаторов фильтра по току. При этом часть конденсаторов может быть

существенно недогруженной, а часть перегруженной по переменной состав-

ляющей тока. Это приводит к нарушению теплового режима и сокращает

срок безотказной работы перегруженных конденсаторов. В то же время кон-

денсаторы с малой «загрузкой» почти не участвуют в подавлении пульсаций

выходного напряжения. Нерациональная компоновка также может привести

к необходимости увеличения сечения электрических шин, объединяющих

конденсаторы в батарею, что приводит к нежелательному росту массы

фильтра.

Схематично фрагмент фильтра представлен на рис. 2.10

. Варианты ис-

полнения фильтров приведены на рис. 2.14

–2.17. На рис. 2.14–2.17 приняты

обозначения: L

– индуктивность участков

шины a1b1 или a2b2 для фильтра «1»

(рис. 2.14

) или суммарная индуктивность

участков шины a1b1+a2b2 для фильтров

«2»–«4» (рис. 2.15

–2.17); R

– сопротивле-

ние участков шины a1b1 или a2b2 для

фильтра «1» (рис. 2.14

) или суммарное со-

противление участков шины a1b1+a2b2

для фильтров «2»–«4» (рис. 2.15

–2.17); С –

емкость конденсатора; R

– внутренне ак-

тивное сопротивление конденсатора и

плавкой вставки; L

– суммарная индуктивность конденсатора и плавкой

вставки.

Размещение конденсатора на шине схематично приведено на рис. 2.11

Входными данными для проведения исследований служат геометрические

размеры шин. Приняты следующие геометрические размеры шин: b = 6 мм, с

= 0,5 мм, зазор между шинами d

= 40 мм (рис. 2.12). Шины изготовлены из

меди (удельное сопротивление меди ρ

= 0.01776 Ом ⋅ мм

/м). Расстояние

между конденсаторами (рис. 2.10

) принято 25 мм.

Для проведения исследований необходимо определить номинальные

значения электрических компонентов модулей – индуктивностей L

, L

и со-

противлений R

, R

. Из рис. 2.10 определено, что:

= L

a1b1

a2b2

;

шина

а1

а2

конденсатор

плавкая

перемычка

Рис. 2.10. Фрагмент фильтра

2. МОДЕЛЬНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СРЕДСТВ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Лабораторная работа 2. Разработка математических моделей элементов системы электропитания (СЭП)



Автоматизированное проектирование средств и систем управления. Лаб. практикум

– индуктивность выводов конденсатора и плавкой вставки;

= R

a1b1

a2b2

;

– внутреннее активное сопротивление конденсатора и плавкой вставки

Также при подсчете параметров учитывается взаимная индуктивность

шин, которая включена в L

Пользуясь исходными данными о геометрических размерах шин, опре-

делим величину L

. При d

/b > 2 для индуктивности шин, расположенных со-

гласно рис. 2.12

, справедлива приближенная формула:













η−

−

archarch

Рис. 2.13. Зависимость индуктивности однофазных шин прямоугольного

сечения от их геометрических размеров

0,2

0,4

0,6

0,8

1,2

1,4

1,6

0 0,8 1,6 2,4 3,2 4 4,8 5,6 6,4 7,2 8

L, мкГн/м

c/b = 1

c/b = 0.5

c/b = 0.25

c/b = 0.1

c/b = 0

c/b = 0.1

c/b = 0.25

c/b = 0.5

c/b = 1

шина

конденсатор

плавкая

вставка

Рис. 2.11. Размещение конденсатора

Рис. 2.12. Обозначения геометрических раз-

меров шин

2. МОДЕЛЬНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СРЕДСТВ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Лабораторная работа 2. Разработка математических моделей элементов системы электропитания (СЭП)



Автоматизированное проектирование средств и систем управления. Лаб. практикум

где

( )

f =ηη−η+

= ,11

, Е – полный эллиптический интеграл второго

рода с модулем

1 η−=k

. При высокой частоте значения индуктивностей

шин могут быть определены по кривым, приведенным на рис. 2.13

Введем понятия «модуль» и «блок». Под модулем фильтра в дальней-

шем понимается структурный элемент фильтра любой топологии, состоящий

из набора электрических элементов – дросселя, резистора, конденсатора. Под

блоком понимается совокупность модулей фильтра любой топологии. На-

пример, на рис. 2.17

элементы фильтра, обозначенные B1

, B1

, …, B1

, B2

, …, B4

являются модулями, а совокупность модулей B1

, B1

…, B1

является блоком B1. Аналогично определяются блоки B2, B3, B4 для

фильтра данного варианта исполнения.

Каждый вариант исполнения представляет собой набор модулей, объе-

диненных между собой различным образом. Модули обозначены латинскими

буквами, выделенными курсивом. Цифры после букв обозначают номер бло-

ка (если модули объединены в блоки), а также определяют различие между

индивидуальными модулями. Каждому из одинаковых модулей присваива-

ется индекс N. Число модулей при моделировании для разных фильтров не

изменяется и составляет: для фильтра «1» (рис. 2.14

) N = 23 (A

+ A

+…+ A

+ A

= 24), для фильтра «2» (рис. 2.15) N = 24 (B

+ B

+ … +B

= 24). Для

фильтра «диагонального» типа индивидуальны первый и последний модули,

для фильтра «последовательного» типа индивидуален первый модуль.

Фильтры «3» (рис. 2.16

) и «4» (рис. 2.17) представляют собой парал-

лельно соединенные в блоки модули фильтра «2» (рис. 2.15

). Буквенное обо-

значение модулей фильтров этих типов оставлено от последовательного

фильтра.

Рис. 2.14. Фильтр «диагонального» типа – фильтр «1»

Кл1

Кл2

0.5L

0.5R

0.5L

A24

Кл3

Кл4

Вход

Выход